TS.3 · Thermal transport, calorimetry and expansion

Dua lapisan dinding yang tersusun seri membawa laju panas tetap yang sama, namun penurunan suhunya tidak harus sama.

Prasyarat: 4.

• Gabungkan hambatan termal konduktif dan bedakan laju panas dari fluks panas
• Seimbangkan panas sensibel dan laten dengan kondisi isolasi dan kapasitas panas yang ditentukan
• Hitung ekspansi termal bebas dan tegangan termal terkendala beserta batas-batasnya

Untuk konduksi satu dimensi yang tunak melalui pelat seragam, hukum Fourier memberikan fluks panas q_x=−κ dT/dx. Dengan konduktivitas konstan κ, luas A, panjang L, dan perbedaan suhu dari sisi panas ke dingin ΔT, laju panas adalah Qdot=κAΔT/L. Definisikan hambatan termal R_th=L/(κA), diukur dalam K/W; penurunan suhu adalah Qdot R_th. Lapisan seri tanpa sumber internal membawa Qdot yang sama dan hambatannya dijumlahkan. Jalur paralel pada suhu ujung yang sama memiliki laju panas yang dijumlahkan, sehingga invers hambatannya dijumlahkan. Fluks panas adalah laju per satuan luas, W/m², dan tidak harus sama antar lapisan dengan luas berbeda. Hambatan kontak antarmuka dan kebocoran panas harus dimasukkan jika disebutkan.

Kapasitas panas C=dQ/dT bergantung pada lintasan termodinamika dan bukan hal yang sama dengan kalor jenis c per satuan massa. Untuk rentang material tanpa perubahan fase, Q=∫mc(T)dT, atau mcΔT ketika c konstan. Dalam kalorimeter terisolasi, jumlahkan perubahan energi semua objek, termasuk wadah jika relevan, dan samakan jumlahnya dengan nol. Pada perubahan fase pada suhu kesetimbangannya, energi yang ditambahkan dapat mengubah fraksi fase daripada suhu: Q=mℓ menggunakan panas laten ℓ dalam J/kg. Pertama pasokkan panas sensibel untuk mencapai transisi, kemudian alokasikan panas laten. Jangan biarkan rata-rata suhu berbobot sederhana memprediksi suhu yang mustahil saat peleburan atau pembekuan merupakan bagian dari proses tersebut.

Untuk batang yang berekspansi bebas dan perubahan suhu kecil, ΔL≈αL₀ΔT dengan koefisien ekspansi linear α. Untuk padatan isotropik dengan regangan kecil, setiap dimensi memperoleh faktor 1+αΔT, sehingga ΔA/A≈2αΔT dan ΔV/V≈3αΔT. Lubang akan berekspansi bersama material sekitarnya seolah-olah area yang hilang itu juga telah berekspansi. Hubungan ini mengasumsikan koefisien hampir konstan dan tidak ada kendala mekanis; kristal anisotropik memerlukan koefisien arah. Jika batang elastis dicegah dari perubahan panjang, regangan mekanisnya meniadakan regangan termal. Dengan tegangan tarik positif, σ≈−YαΔT selama pemanasan, di mana Y adalah modulus Young. Estimasi regangan kecil ini memerlukan respons elastis tanpa leleh atau tekuk.

Konduksi mentransfer energi melalui gradien suhu, konveksi membawanya dengan materi yang bergerak, dan radiasi termal dapat menembus vakum. Untuk permukaan pada suhu T yang menghadap lingkungan besar pada T_env, model tubuh abu-abu sederhana memberikan laju radiatif bersih εσ_SB A(T⁴−T_env⁴). Gunakan kelvin absolut dalam pangkat empat ini, bukan nilai Celcius. Tubuh terfragmentasi (lumped body) yang suhu dalamnya tetap hampir seragam dapat mengikuti C dT/dt=−hA(T−T_env)(mengikuti pendinginan Newton dengan h konstan). Kemudian kelebihan suhu meluruh dengan τ=C/(hA), alih-alih seluruh suhu Celcius atau kelvin meluruh menuju nol. Pendekatan ini memerlukan gradien internal yang cukup kecil; tubuh yang terbatas konduksi memerlukan model suhu spasial.

Dua pelat tersusun seri membawa laju panas tetap yang sama. Misalkan hambatannya 0.08 dan 0.24 K/W. Suhu batas adalah 60 dan 20 derajat Celcius.

Antarmuka berada pada suhu 50 derajat Celcius ketika pelat 1 menyentuh sisi panas. Laju panas memiliki satuan watt; fluks membaginya dengan luas.

Jaga W terpisah dari W/m², sertakan kalorimeter atau energi laten jika diperlukan, dan jangan gunakan panjang ekspansi bebas bersamaan dengan asumsi tegangan terbatas.

hambatan termal: Perbedaan suhu per laju perpindahan panas tunak, diukur dalam K/W.

panas laten: Energi yang ditransfer selama perubahan fase pada suhu transisinya; panas laten spesifik adalah per satuan massa.